隧道模擬環(huán)境下城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)雙漏泄電纜傳輸性能研究

宋高云

(中鐵建電氣化局集團第一工程有限公司， 471013， 洛陽∥高級工程師)

0 引言

隨著LTE(長期演進)技術的發(fā)展和成熟，國內外軌道交通已有基于LTE技術的相關應用。2010年12月，在UIC(國際鐵路聯盟)組織的第七屆世界高速鐵路大會上首次提出將LTE-R(下一代軌道無線通信)系統(tǒng)作為高速鐵路移動通信的解決方案。2015年3月，工業(yè)和信息化部正式確定1.785～1.805 GHz頻段作為交通、電力、石油等行業(yè)的專用通信網頻段。2016年12月，武漢地鐵6號線一期工程通車并投入運營，該線采用LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng))承載CBTC(基于通信的列車控制)業(yè)務，成為國內首條使用LTE技術進行列車控制信息承載的城市軌道交通線路。

迄今已有許多學者對漏泄電纜的輻射特性進行了研究。文獻[1]研究了雪厚度和含水量對漏泄圓波導輻射特性的影響，并提出相應的解決措施。文獻[2]為解決室內5G (第5代移動通信技術)信號覆蓋盲區(qū)的問題，對單側漏泄同軸電纜進行了改進，設計了一種新型的雙側漏泄同軸電纜。文獻[3]利用傳輸線理論對隧道中漏泄電纜的傳輸損耗及其他因素對其性能的影響進行了研究。文獻[4]利用模式匹配和傅里葉變換，從理論上研究了漏泄電纜近場和遠場的耦合特性。北京市軌道交通建設管理有限公司與北京交通大學交通運行控制與安全國家重點實驗室依據LTE-M標準，組建了可應用于城市軌道交通綜合承載的車地無線通信系統(tǒng)，并對其進行了試驗[5]，驗證了使用漏泄電纜作為傳輸媒介組建的LTE-M在綜合承載、傳輸速率等方面能夠滿足城市軌道交通業(yè)務的基本需求。文獻[6]利用調整時隙配比、漏泄電纜定向覆蓋、優(yōu)化車載天線布置位置等方式，驗證了車地無線通信系統(tǒng)的抗干擾性。北京市地鐵運營有限公司在北京地鐵5號線上應用了以定向天線作為傳輸媒介的LTE-M，并進行了現場測試，測試結果表明：使用無線自由波作為傳輸媒介的組網方式存在被干擾的風險，在有較強干擾的情況下車地無線通信系統(tǒng)的傳輸速率會受到影響，實現最低標準的CBTC、PIS(乘客信息系統(tǒng))和CCTV(閉路電視)業(yè)務的綜合承載較為勉強。這表明在實際運行線路中，基于LTE-M組建車地無線通信系統(tǒng)在實現運營狀態(tài)下的綜合承載方面還有待改進。

上述文獻對漏泄電纜的輻射特性、耦合特性進行了研究，同時使用漏泄電纜的車地無線通信系統(tǒng)也得到了相關的應用。但是在單漏泄電纜、相同極化方向的雙漏泄電纜及不同極化方向的雙漏泄電纜3種不同形式下，電纜對于LTE傳輸速率的影響、不同漏泄電纜間距對于傳輸速率的影響等方面的研究還比較少。使用漏泄電纜作為LTE-M，基本可以實現CBTC、標準清晰度PIS及標準清晰度CCTV的綜合承載需求，但也暴露出在有限頻譜帶寬情況下該系統(tǒng)存在數據傳輸速率小、MIMO(多輸入多輸出)技術效果不好等不足。為此，本文提出了適用于城市軌道交通隧道環(huán)境的雙漏泄電纜覆蓋方案，即采用由HV方式(一根為水平極化、另一根為垂直極化)組成雙漏泄電纜，并將漏纜間距設為0.3 m。該方案可以在最小的漏纜間距下獲得最佳的信號傳輸速率。

1 模擬環(huán)境下的試驗設計

本試驗的目的是：在隧道模擬環(huán)境搭建雙漏纜覆蓋的LTE-M，通過不同極化方式及不同纜間距對雙漏泄電纜覆蓋的LTE-M進行測試。模擬隧道采用長100 m、寬5 m的鋼筋混凝土結構。在隧道壁上依據不同的漏纜間距安裝相應的卡具，以用于放置漏泄同軸電纜。

本文基于最小信息準則建立隧道環(huán)境下雙漏泄同軸電纜無線信道傳播模型。由于模擬隧道的長度只有100 m，且需要在兩個小區(qū)間切換測試，所以每個小區(qū)漏泄同軸電纜的覆蓋范圍只有50 m。為了盡量真實地模擬實際運營環(huán)境，需要將兩個小區(qū)的信號強度調整到真實小區(qū)覆蓋的最末端50 m的信號強度水平。因此，本文通過RRU(射頻拉遠單元)與漏泄同軸電纜間增加衰減，模擬小區(qū)覆蓋末端的環(huán)境。一般情況下，RSRP(參考信號接收功率)小于-85 dBm時即可認為是遠點，因此測試時將漏泄同軸電纜起點處測得的RSRP控制在-85 dBm，在單小區(qū)50 m長度的漏泄同軸電纜覆蓋范圍內每個小區(qū)的信號強度在-85～-88 dBm之間。模擬的車地無線通信系統(tǒng)由2臺BBU(基帶處理單元)、2臺RRU、1臺EPC(演進型分組核心)、1臺交換機組成。該系統(tǒng)承擔了包含兩個小區(qū)的通信，其測試系統(tǒng)結構如圖1所示。

注：PC——個人計算機；TAU——車載接入單元。圖1 模擬測試系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Diagram of simulation test system structure

該測試系統(tǒng)外部連接筆記本電腦的運行測試軟件，用以測試場強、信噪比、傳輸速率等3項性能。在移動臺側將雙極化定向天線與移動臺連接，并與筆記本電腦相連，收集模擬環(huán)境下的場強數據及傳輸速率數據。其中：場強數據通過移動臺自帶的軟件讀取，以最真實地反映LTE設備接收到的場強數據值，同時記錄其位置信息；傳輸速率數據通過Ixchariot軟件進行數據流獲取。在網絡端和移動臺側分別安裝軟件客戶端，通過使用傳輸速率腳本獲取傳輸速率數據。

受模擬隧道的環(huán)境限制，測試模擬小車只能以低速運行，模擬隧道測試在不同極化方式及不同漏纜間距下的雙漏泄電纜的覆蓋性能及傳輸速率，進而為提出最佳漏纜覆蓋方案提供依據。高速移動狀態(tài)下的系統(tǒng)性能將在后續(xù)的運營線路測試中進一步驗證。

2 試驗結果分析

本次測試共設定了3種雙漏泄電纜覆蓋方式，分別為HH方式(兩根漏纜均為水平極化)、VV方式(兩根漏纜均為垂直極化)及HV方式(一根漏纜為水平極化、另一根為垂直極化)。考慮漏纜的干擾因素，兩根漏纜的間距至少為0.3 m，而采用MIMO技術傳輸時所要求的漏纜間隔至少為0.5 m。考慮到實驗中模擬隧道的長度和實際工程中的長度不同，本文選用了3種有代表性的漏纜間距(0.3 m、0.6 m、1.0 m)進行測試。

針對3種雙漏泄電纜覆蓋方式，對每種方式分別在纜間距為0.3 m、0.6 m、1.0 m時信號的場強、信噪比及傳輸速率進行測試。測試時，LTE系統(tǒng)使用頻點為1 790～1 800 MHz共10 MHz帶寬，該系統(tǒng)使用的子幀配比為1(即上下行配比為2∶2)，特殊子幀配比為10∶2∶2。模擬隧道試驗得到試驗數據的統(tǒng)計結果如表1—3所示。

表1 3種雙漏泄電纜覆蓋方式下的場強測試結果Tab.1 Field strength test results under 3 double leaky cable coverage modes

表2 3種雙漏泄電纜覆蓋方式下的信噪比測試結果Tab.2 Signal to noise ratio test results under 3 double leaky cable coverage modes

由表1～2可知：將漏泄電纜間距由1.0 m減少至0.3 m，3種雙漏泄電纜覆蓋方式下作為接收端的用戶設備UE(用戶設備)所接收到的信號場強及信噪比均無明顯變化。這證明了1.8 GHz頻段下漏泄電纜纜間距從1.0 m減少至0.3 m時，雙漏泄電纜間的耦合損耗無明顯增加，漏纜間距的縮小不會對信號場強及信噪比產生明顯影響。

由表3可知：與HH方式、VV方式相比，采用HV方式覆蓋時信號平均傳輸速率有約50%的提升，這表明采用HV方式時在相同的漏纜間距下兩路信號信道的相關性更低。此外，縱向對比不同漏纜間距下的信號傳輸速率可知：當漏泄電纜間距由1.0 m減少至0.3 m時，系統(tǒng)的傳輸速率沒有明顯下降，這說明將漏纜間距縮小至0.3 m，對信道相關度沒有明顯的影響。

表3 3種雙漏泄電纜覆蓋方式下的傳輸速率測試結果Tab.3 Transmission rate test results under 3 double leaky cable coverage modes

綜上所述，采用HV方式組成雙漏泄電纜且漏纜間距為0.3 m時，可以在最小漏纜間距下獲得最佳的信息傳輸速率，且相比于漏纜間距1.0 m的信號傳輸速率并無明顯下降。因此，可以考慮將該方案作為后續(xù)在運營線路上進行試驗時的漏泄電纜部署方案。

3 結語

基于定量模擬測試可知，LTE-M利用自由波和漏泄波導的綜合組網方案基本能夠支撐城市軌道交通綜合業(yè)務承載的需求。但是，在漏泄波導區(qū)段為了提升切換時延指標，需要針對漏泄波導的衰落性能對其切換機制進行優(yōu)化。通過對漏泄同軸電纜傳輸特性、耦合特性的研究，以及不同雙漏泄電纜覆蓋方式的測試和分析，本文提出了一種適用于城市軌道交通隧道環(huán)境的采用HV方式組成的雙漏泄電纜覆蓋方案。

相比于單漏泄同軸電纜方案，由HV方式組成的雙漏泄電纜覆蓋方案因應用了LTE車地無線通信技術，其傳輸速度可提高20%～30%。而與現有的雙漏泄同軸電纜方案相比，采用HV方式的雙漏泄同軸電纜方案在傳輸速率下降幅度不大于10%的條件下,漏纜間距可減少50%～60%。同時，該方案能夠滿足城市軌道交通相關業(yè)務對通信系統(tǒng)網絡性能的如下指標：

1) 列車運行控制業(yè)務單項傳輸時延不超過150 ms的概率不小于98%，不超過2 s的概率不小于99.92%，丟包率不大于1%。

2) 列車緊急文本下發(fā)業(yè)務傳輸時延不超過300 ms的概率不小于98%，丟包率不大于1%。

3) 視頻監(jiān)控業(yè)務傳輸時延不超過500 ms的概率不小于98%，丟包率不大于1%。

4) PIS業(yè)務傳輸時延不超過300 ms的概率不小于98%，丟包率不大于1%。